弹簧制造工艺.doc

第五讲:弹簧结构分析与制造工艺（第四章：弹簧制造工艺）2014-8-3，上海讲座用第一节：概述一:弹簧在电器产品中的应用电器中常用的弹簧有：螺旋弹簧：（1：压缩弹簧;2：垃伸弹簧;3：扭转弹簧；4：片黄）1：压缩弹簧：在交流直动式接触器中常常采用压缩弹簧主要是触头压缩弹簧和铁心反力弹簧。如下特性。电器的负载特性（机械特性）是电器的重要特性之一。作用在衔铁上的机械力和衔铁行程关系特性P或F称为机械特性，也称反力特性。弹性元件（螺旋弹簧和簧片）构成。弹簧构成电磁电器机械特性(反力特性)如图所示： 图1 电器机械特性(反力特性)此特性是由作用于衔铁的机械力和作用于触头的压力组合而成的特性.在断路器上，触头也是采用压缩弹簧，如下所示：Cdab触头弹簧动触头弧角转轴静触头2：垃伸弹簧在断路器四连杆机构多数采用，拉伸弹簧：在直流接触器中的衔铁反力弹簧是拉伸弹簧。3：扭转弹簧：脱扣器上采用的扭簧。4：片黄：在继电器中广泛采用。从上述情况看，弹簧成为我们电器中一个十分重要的零件。它的质量直接影响我们各种电器的性能。二:弹簧的基本性能弹簧的基本性能是在载荷作用下产生形变，卸载时释放能量恢复原形；加载变形过程遵循一定的规律。1：弹簧的特性线：其特性就是：载荷P(M）与变形F(j)之间的关系曲线成为弹簧的特性线，如图4-1所示。弹簧的特性线大致有三种类型：直线型；渐增型；渐减型。有些弹簧的特性线是上述两种或三种的组合（图4-2），称为组合型特性线。如压缩弹簧的特性线（图4-2a）在开始加载时为渐减型，当变形在整个工作区间的30%70%时为直线性,在最后的30%时为渐增型.又如圆锥弹簧的特性线(图4-2c),加载开始为直线,到一定程度后,变为渐增型;蝶形弹簧的特性线(图4-2b)开始为渐减型,后为渐增型,整个特性线呈S形;图4-2d是两个不同高度压缩弹簧组合的特性线,加载开始只有一个弹簧承受载荷,当加载到一定程度时,第二个弹簧也开始承受载荷,特性线成为两个弹簧的特性线,因而其斜率发生了改变.拉伸弹簧的特性线基本上是一条直线,由于其线性好,故广泛用于电器元件和计量器具中.图2 组合型特性a)压缩弹簧特性曲线,b)碟形弹簧特性c)圆锥弹簧特性d)两个压缩弹簧组合特性曲线2.弹簧刚度（有两种表述方法）弹簧所受载荷P与变形量F之比,即产生单位变形量所需荷载称为弹簧刚度.对于压缩和拉伸弹簧的刚度为 (4-1a) 式中 压缩和拉伸弹簧刚度(); 弹簧所受负荷力(N); 弹簧的变形量(mm).对于扭转弹簧的刚度为 (4-2a)式中 扭转弹簧的刚度(); 扭转弹簧的扭矩();j 扭转弹簧的扭转角.特性线为渐增型弹簧,其刚度随着载荷的增加而增大;渐减型弹簧,其刚度随着载荷的增加而减小.而对于直线型弹簧,其刚度不随载荷变化而变化,即或: (4-1b) (4-2b)因此,对于具有直线型特性线的弹簧,其刚度也称为弹簧常数.弹簧的特性线对于设计和选用弹簧的类型起着重要的指导作用.设计弹簧时可用分析计算及实验的方法找出它的特性线.但即使是最精确得计算,其结果和实际的数值也总会有一定的差异.这是由于弹簧在制造过程中不可避免的存在工艺差异,所用材料组织也并非绝对均匀之故.因此,在设计弹簧时必须经过反复试验,修改尺寸和参数,使之达到理想的结果.三:弹簧的分类弹簧的类型很多，分类方法不一，按其形状和结构可分为以下几种类型。1:圆柱螺旋弹簧这类弹簧多数由圆形截面材料制成，但在同样空间条件下需要更大的刚度时，可选用矩形截面材料。此中大致可分为三种类型：(1):圆柱螺旋压缩弹簧（图4-3）这种弹簧结构简单，制造方便，特性接近于直线型，刚度值较稳定，（在电器产品中）应用最广，简称为压缩弹簧。(2):圆柱螺旋拉伸弹簧（图4-4）这种弹簧性能和特点与压缩弹簧相同。重要承受拉伸载荷，其特性线是直线型。由于有初应力和无初应力的区别，故其特性线起点各异。多数由原形截面材料制成，简称为拉伸弹簧。（3）:圆柱螺旋扭转弹簧（图 4-5）这种弹簧主要承受扭矩作用，用于压缩、储能及转动系统中，特性线呈直线型。多数由圆形截面材料制成，简称为扭转弹簧。2.变径螺旋弹簧包括锥形、双锥形弹簧及不规则变直径弹簧，后者应用较少。（1）:圆锥形螺旋弹簧（图4-6）这类弹簧的特点是稳定性较好，结构紧凑。其特性线开始是直线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增形，有利于缓和冲击和共振。（2）:中凸和中凹形弹簧（即双锥簧）（图4-7）这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧。中凸形弹簧在某些场合可以代替圆锥弹簧使用；中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。3:悬臂梁式片状弹簧这类弹簧由薄片材料制成，结构形状繁多。主要用于仪表及继电器电器元件中。此外，还有空气弹簧、液压弹簧、橡胶弹簧、弹性触头及扭杆弹簧等。第二节： 弹簧材料一:弹簧性能对材料的要求弹簧主要在动载荷作用下工作，要求材料具有高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限及疲劳极限，同时还要求具有高的冲击韧性和塑性。在特殊条件下还要求其材料具有耐热、防腐、导电、防磁、耐低温等性能。 金属材料在高温、长期载荷作用下，其内部组织结构也会发生不同程度的变化。因此，在高温条件下工作的弹簧，其材料应具有足够的热稳定性能。在低温下，一般金属材料的抗拉极限、弹性极限均随温度下降而增大，冲击韧性和塑性减小，变的冷脆。在低温下工作的弹簧要选用具有稳定的低温性能和良好的低温韧性的材料。在腐蚀介质中工作的弹簧，由于其表面受腐蚀介质的作用而遭破坏，疲劳寿命将显著下降，因此要求其材料具有较强的抗腐蚀能力。对于电器中的弹簧要求其具有导电、防磁和恒弹性等性能。此外，弹簧材料还应具有良好的加工工艺性。冷拉（轧）材料应有均匀一致的强度和塑性，以便容易成型。对于热成型的弹簧材料，应在热状态下容易成型，不易脱碳，并具有良好的脆透性和低的热敏感性。二:常用弹簧材料的性能及用途弹簧材料的种类按新的国家标准（GB123989_所列大致可以分为四大类：碳素弹簧钢丝，合金弹簧钢丝，弹簧用不锈钢丝和青铜线。按交货状态，金属弹簧材料也可分为两大类。一类是在成材过程中经强化加工的丝（线）材和带材，即通常所说的硬状态。这种材料在弹簧成型后不需要淬火，只需要进行消除内应力的回火处理。电器产品中所用弹簧材料主要是这一类。另一类是热轧材及在成材后以退火或高温状态供货的丝材或带材。这种材料在弹簧成型后需要进行淬火、回火处理。如合金钢丝，异型钢丝及马氏体不锈钢丝等。下面介绍各种弹簧材料的性能和用途。1:碳素弹簧钢丝它有四个品种，即碳素弹簧钢丝，琴钢丝，阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝及油淬火回火碳素弹簧钢丝。这类材料可在 40120条件下正常工作，其性能特点是强度高，性能好，价格便宜，易于生产和加工，但是淬透性差，防腐性能差，使用时须经表面电镀或发蓝处理。适合做小弹簧，在电器、仪表和机械中广泛使用。 碳素弹簧钢丝GB4357-84(相当于原标准中的II组、III组) 按用途分为三组。A组 用于一般弹簧B组 用于低应力弹簧，如手动按纽等。C组 用于较高应力弹簧，如接触器、继电器等电器产品中的各种弹簧。 琴钢丝GB4358-84(相当于原标准中的碳素弹簧钢丝I组、IIa组)此钢丝用于制造具有重要用途的，不经热处理或仅经低温回火处理的弹簧，在低压电器元件中使用最广。钢丝按用途可以分为三组。G1组 用于各种重要用途弹簧G2组 用于各种高应力弹簧，如低压电器元件中的触头弹簧，反力弹簧等；F组 用于阀门弹簧。F组钢丝显微组织应为索氏体和托氏体，允许有少量的铁素体。其直径一般在f2.06.0mm之间。 阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝GB4359-84。它相当于原标准中的重要用途弹簧钢丝。此种材料用于制造内燃机阀门弹簧及其他类似条件所用的弹簧。 油淬火回火碳素弹簧钢丝GB4360-84，这种材料适用于一般普通机械弹簧，在电器产品中仅在不太重要场合使用的弹簧。2.合金弹簧钢丝这种材料由于在钢中加入了硅、锰元素，从而提高了强度、淬透性及回火稳定性。其主要性能特点是强度高、耐冲击。适于制造高负荷及冲击频率较高的各种重要弹簧。合金弹簧钢丝主要有三种：即硅锰合金弹簧钢丝、铬硅合金弹簧钢丝和铬钒合金弹簧钢丝。3:弹簧用不锈钢丝弹簧用不锈钢丝按组织可为三大类。线径在6mm以下的一般为奥氏体不锈钢，较大直径选用马氏体及沉淀硬化不锈钢。按冶金部标准YB(T)11-83规定，钢丝根据牌号和抗拉强度分为A、B、C三组。可根据使用要求选用。 1Cr18Ni9 和0Cr19Ni10属于奥氏体不锈钢。这两种材料耐腐蚀性能比较好，而且具有耐高温及耐低温的特点，可以在300以下正常工作。其强度取决于冷拉时的减面率，减面率越大强度越高。由于上述特点，使其在低压电器产品及仪器仪表中被广泛使用。但由于其加工性能较差，故要求其材料在出厂时表面要加一层润滑涂层。一般是涂树脂或镀镍，以改善其卷绕性能。如果用裸线，需要在卷绕时加肥皂等作为润滑剂，否则难以成形。0Cr17Ni8Al钢属于超高强度沉淀硬化不锈钢。具有很高的强度和足够的韧性，可承受很高的应力。这种钢在奥氏体状态下加工性能好，耐高温、耐腐蚀可冷成型。但是由于含有较多贵重合金元素，热处理工艺复杂，价格较昂贵，故一般多在兵器上使用。4青铜线按国家标准主要分为三种类型：即硅青铜、锡青铜和铍青铜。它们共同的性能特点是强度和弹性都比较好，无磁性，导电性能好，耐磨、耐蚀及耐低温。硅青铜线GB3123-82。硅青铜线具有较高的弹性、强度、耐磨性及无磁性，价格便宜，因而在制造弹簧时广泛采用。但是这种材料也有不足，QSi3-1有应力腐蚀破裂倾向，冷成型后长时间存放会自行开裂。因此在弹簧冷绕成型后要及时进行170220低温回火处理，以消除应力裂纹倾向，并使其合金性能略有提高。锡青铜线GB3124-82。锡青铜线具有较高的力学性能和减磨性。对过热和气体的敏感性小，撞击时不产生火花，抗磁性和耐低温性能也好，有良好的耐碱性、导电性、可焊性也比较好。但是在氯气和酸溶液环境下，耐蚀能力较差。含锡量高的材料塑性较差，弹簧成型困难。旋绕比较小的弹簧最好选用含锡量低的线材。该种材料的使用温度不应高于120 ，适于制造仪表弹簧。铍青铜线GB3124-82。铍青铜线具有优良的物理、化学、工艺和力学性能。经调质后，有较高的强度、硬度、弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性和疲劳强度。此外，有良好的导电性、导热性、无磁性、撞击时不产生火花，在大气、海水和淡水中有较高的耐蚀性。如经过钠盐钝化，耐蚀性可以成倍提高，在低温下无脆性。但是铍有毒，而且生产工艺复杂，价格较贵，故使用上受到限制。主要用于制造各种重要用途的弹簧。如继电器、精密仪表及载荷变化幅度较大的弹性元件。这种材料常用的型号时QBe2。 此外，片状弹簧材料为带材，低压电器和继电器都采用片状弹簧片。第三节：弹簧的结构型式与参数一：压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧由于容易生产、工艺简单，所以广泛应用。这种弹簧多数由园截面材料制成。但是，有时为了提高其刚度，在一定条件下，采用矩形截面材料。还有其它类型。1：压缩弹簧的端部结构压缩弹簧端部结构型式较多，根据条件自行设计。一般常用的有三种：见表4-1所示。2：弹簧的直径弹簧的中径是弹簧的公称尺寸，也是各参数计算的依据。生产和设计时要严格控制外径的偏差，其偏差可由国标中查出。：当弹簧两端固定时，从自由长度压到并紧时，直径的增大值为：=0.05 （4-3a）：当两端面与支承座间可以自由回转，摩擦力比较小时，直径的增大值为：=0.1式中，弹簧中径（mm）;弹簧节距（mm）;弹簧材料直径（mm）。：弹簧的旋绕比,弹簧的中径与材料的直径之比称为弹簧的旋绕比，即弹簧指数。即= （4-4）表42（838 ） 弹簧指数的参考值钢丝直径d（mm）0.20.40.511.12.22.567161650弹簧旋绕比7145125104948463：弹簧的圈数=+式中，弹簧的有效圈数；弹簧的总圈数；弹簧的支承圈数。4：弹簧的螺旋角和节距弹簧的旋转角一般取510，>10时，则计算弹簧变形应考虑螺旋角的影响。螺旋角由下式计算：= （4-6）相邻弹簧两圈中心沿弹簧轴线之间的距离称为弹簧的节矩。对于正常节矩的压缩弹簧，要求当压缩到其整个变形区间的80时，弹簧圈间不应接触。5：弹簧的高度（1）：自由高度压缩弹簧的自由高度是指弹簧在不受外力的情况下弹簧高度，其值如下：对于两端并紧并磨平的压缩弹簧：当1.5时 （47a）当2时 1.5 （47b）当2.5时 2 （4-7c）对于两端并紧不磨的压缩弹簧当1.5时 2.5 （4-7d）当2时 3 （4-7e）当2.5时 3.5 （4-7f）（2）：压并高度压并高度是指压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。其值如下：两端磨平的压并后 （0.5） （48a）两端不磨平的压并后 （0.5） （48b）6：弹簧的展开长度压缩弹簧丝的展开长度可按下式计算： （49）7：弹簧刚度弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形所用的载荷，即/，刚度由下式计算： （410）式中，弹簧材料切变模量（）；弹簧丝直径（）；弹簧的有效圈数；弹簧中径（）；弹簧的变形量（有时也用此符合表示）。8：弹簧的负荷计算弹簧所受负荷（弹簧力）等于其刚度与变形量的乘积。如下式： （411）P1P2PmdtH09：压缩弹簧工作图图4-8 压缩弹簧工作图初压力；终压力；极限压力；初压力变形量；终压力变形量；极限变形量二：拉伸弹簧由于其工作时线性比较好，因而在计量器和电器中得到广泛应用。但由于端部钩环加工较难，且易损坏影响寿命，使用时又受到限制，故尽可能采用压缩弹簧代替。拉伸弹簧采用材料多为圆钢丝。1：拉伸弹簧的端部结构其端部结构主要时钩环形状。一些常用的已经纳入国际标准，见表42。在设计和选用端部结构型式时，主要考虑弹簧在机构中的安装方式，空间条件及载荷性质等因素。在满足使用的前提下，尽量选用简单的结构型式。由于LI、LII、LIII型式结构简单，加工容易，故在允许的条件下，尽量推荐选用。2：弹簧的圈数拉伸弹簧的总圈数就是有效圈数，工作圈数一般最少为2。拉伸弹簧的变形量除考虑弹簧变形量外，还应考虑到钩环的变形量。一般半圆钩环每端考虑0.2圈，整圈钩环每端考虑0.5圈，对于圈数较多的可不考虑。3：弹簧的自由长度拉伸弹簧的自由长度是指两端钩环内侧的距离，见式（412）。端部为半圆钩环时：（1） （412a）端部为圆钩环时：（1） 2 （4-12b）端部为圆钩环压中心时：（1.5）2 （4-12c）4：弹簧的螺旋角及节矩拉伸弹簧的节矩，因而螺旋角很小，计算时可以忽略不计。5：展开长度5：展开长度拉伸弹簧材料的展开长度式（413）：钩环部分展开长度 （413）式中，弹簧中径（）；弹簧圈数。6：拉伸弹簧的工作图，如图4-9所示。7：拉伸弹簧的负荷计算拉伸弹簧的负荷等于其刚度与变形量的乘积，见式（414）：（-） （414）式中，拉伸弹簧的刚度（）；拉伸弹簧的工作长度（）；-拉伸弹簧的自由长度（）。三：扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧也是一种应用较广的弹簧。扭转弹簧所用的材料截面多为圆形。1：扭转弹簧的结构型式2：弹簧受载后直径的变化4：弹簧的节距和螺旋角6：展开长度8：扭转弹簧工作图9：扭转弹簧扭矩的计算第四节：弹簧制造工艺重点介绍冷卷弹簧的制造工艺。线径在0.114mm线材所制弹簧，多数采用冷卷的方法。根据生产批量及设备条件可采用机械绕制和手工绕制。机械绕制有分为有芯卷绕及无芯卷绕两种。一:冷成型弹簧的制造工艺弹簧线材在常温下加工成型为冷成型。所用材料一般分为两大类。一类为硬状态材料,冷成型后只需进行消除因冷成型时所产生的内应力；另一类为软状态材料,即在冷成型后需进行淬火和回火处理。冷成型弹簧加工大致可分为下列几个工艺过程。当用成型后不需淬火处理的材料生产弹簧时,工艺过程为:第一类：卷簧（即绕制)、低温回火、端部加工、二次回火(压缩弹簧不需进行)、机械强化处理(有特殊要求时进行)、检验、表面防腐处理等。第二类：当用成型后需进行淬火处理的材料生产弹簧时,与上不同的只是弹簧成型后要进行淬火、回火处理,其它工序基本相同。下面主要介绍用成型后不需淬火处理的材科生产弹簧的各种工艺。(一):圆柱螺旋弹簧的绕制工艺弹簧的绕制是弹簧生产过程中的主要工序。弹簧的绕制分为无芯卷绕和有芯卷绕两种。1:无芯绕制.无芯绕制就是不用芯轴,而使弹簧成型的加工方法。它主要由万能自动卷簧机完成。现代化自动卷簧机精度高,功能全,生产效率高,适合于大批量专业化生产。其万能自动卷簧机的工作原理,见图4-11。弹簧钢丝从线架上引出后,首先经过钢丝清洁器1, 由毛毡清除钢丝表面的各种脏物；再进入校直器2, 进行水平和垂直两个方向的校直；再经输入导轴3进入送料辊轮4；由送料辊轮将钢丝经由输出导轨5推向两个互成60。80。的卷簧挡销8,使钢丝在挡销糟中弯卷成圆形；节距斜铁6的上下移动(或节距爪沿弹簧轴向的前后移动)开出弹簧的节距；弹簧卷绕成型后,由切断刀7下移与芯轴刀9将卷好的弹簧切掉。一个工作循环完成了一个弹簧的生产。节距斜铁(爪)的移动距离及速度由机内节距凸轮及支架控制。如将节距凸轮制成特殊曲线,可加工变节距弹簧。两个卷簧挡销装在绕制板的两个滑块上。如果在绕制板上加装所需凸轮,控制滑块移动，则可生产出变直径的锥形、双锥形等弹簧。图4-11 自动卷黄机工作原理图(参看录像)上述全部过程均由机内凸轮轴上的各种凸轮控制完成。凸轮轴每转动一周,就完成一个工作周期,绕制成一个弹簧。如此往复运转就实现了弹簧的自动化成型。在无芯自动化卷簧过程中，影响弹簧质量的因素是多方面的。第一是弹簧材料的力学性能，内部组织的均匀性、表面状况及尺寸精度等。第二是机床设备的精度,各类机床工具如导轨、送料轴、挡销、斜铁等的硬度与金属丝接触部位的粗糙度等。设备的工具大都由碳化钨材料经精加工制成。第三个因素就是操作工人的技术水平。2:有芯绕制有芯绕制是将金属丝缠绕在芯轴上,使弹簧成型的生产方法。主要用于中、小批量及有特殊要求的场合。当然现代化扭转弹簧绕制机也属于有芯绕制,它适用于大批量生产。一般的有芯绕制属于落后的生产方式。由于这种方法投资少,能及时解决问题。（l）:绕制过程 在有芯绕制弹簧过程中,弹簧直径取决于材料直径和和芯轴的尺寸；而节距和拉伸弹簧初拉力的大小取决于绕制时进线角度的大小。机械有芯绕制过程见图4-l2。首先将罐绕芯轴5固定在机床卡盘1上；弹簧钢丝经由套在芯轴上的手动送料装置4卡在芯轴挡销2上(或夹在卡盘上)；随着主轴的转动,送料装置在芯轴上作轴向转动,弹簧毛坯3就绕成了。主轴每转动一周,送料装置沿轴向移动的距离就等于弹簧的节距。改变该参数,就可绕出所需要的节距。(2):回弹的影响因素用芯轴绕制出的弹簧,内径均大于芯轴直径,这种现象称为回弹。影响回弹量大小的因素教多，主要有材料的力学性能、旋绕比及工艺装置等。1):材料力学性能的影响回弹量与材料的抗拉极限强度sb成正比,与弹性模量E成反比。也就是sb/ E的值愈大,则回弹量愈大。当材料的力学性能不稳定时,回弹量的大小也不一样,导致整个弹簧外径不均匀。2):弹簧指数的影响回弹与弹簧指数(即旋绕比)成正比。即旋绕比越小,回弹量亦越小。这是因为钢丝弯曲程度越大,在其截面内塑性变形比重越大,导致回弹量变小。3):工装及绕制方向的影响工装对回弹量的影响有二：一是导向装置距离绕杆(芯轴)的远近,远则回弹量大,近则回弹量小；二是绕制时钢丝所受拉力的大小,拉力大时回弹量减小,拉力小时回弹量增大。另外与进线方向也有关,如果按钢丝原有的弯曲方向绕制,回弹量较大，反之则教小。(3):冷绕弹簧芯轴尺寸的计算计算冷绕弹簧回弹量大小的实质就是要确定绕制芯轴的直径。由于影响回弹量的因素较多，只能用经验公式加以计算，芯轴直径D0的计算见式（4-22）或式（4-23）； （4-22）式中 D0-芯轴直径（mm）; D1-弹簧内径（mm）; C -旋绕比； sb-材料的抗拉极限强度（N/mm2）; E -材料的弹性模量（N/mm2）。或（4-23）式中 D-弹簧中径（mm）; d-弹簧钢丝直径（mm）.芯轴的精度直接影响弹簧的绕制质量。所以芯轴所用材料应为弹簧钢或碳素工具钢，经热处理后表面应磨光。表面粗糙度应不低于Ra3.3mm,表面硬度不低于45HRC。（二）:冷卷弹簧的热处理工艺对于直径小于8mm，且经过强化处理的硬状态钢丝，冷卷成型的中、小型弹簧，因其性能已经基本达到技术条件的要求，故不需要进行高温淬火及中温回火处理。但应进行低温回火，以消除因冷成型所产生的内应力，并起到定型的作用，还可使其弹性极限和强度有所提高。1:回火规范回火的温度及保温时间要根据材料的种类及直径的大小而定。：碳素弹簧钢丝及琴钢丝的回火温度一般在250300之间。钢丝直径较小时，要用较低的温度及较少的保温时间，规范见表4-4。 表4-4 碳素弹簧钢丝回火规范钢丝直径加热温度（）保温时间（min）0.8220-25017>0.81.2>1.22.0>2.04.0>4.06.0270-28020253545对于拉伸弹簧回火时，要考虑是否有初应力要求。有初应力要求的拉伸弹簧在回火时，温度要按上表规范降低1030。：油淬火回火合金弹簧钢丝冷卷成弹簧后也要进行消除应力的回火，规范见表4-5。表4-5 油淬火回火合金钢丝回火规范材料牌号钢丝直径（mm）加热温度（）保温时间（min）50CrVA2.03603802050CrVA>2.03804003060Si2MnA2.03804002060Si2MnA>2.0400-4203065Si2MnWA2.0420-4402065Sin2MnWA>2.0440-46030奥氏体不锈钢钢丝的强度取决于拉拔时减面率的大小。钢丝直径愈小，拉拔次数愈多，强度就愈高。当直径大于6mm时，由于拉拨次数少、减面率小，强度较低。因此，直径较大的弹簧一般不选用奥氏体不锈钢。用冷拉奥氏体不锈钢丝冷绕成弹簧后，需要进行消除应力的回火处理。回火后强度可提高8%，回火规范见表4-6。表4-6奥氏体不锈钢丝回火规范钢丝直径（mm）加热温度（）保温时间（min）3.0>3.0340-380380-4003030目前国内市场进口奥氏体不锈钢丝较多；由于各国工艺条件不同，所以在确定回火规范时要根据具体情况而区别。如日本进口的SUB-304钢丝用350回火为宜；瑞典的177PH,用380回火温度适合。国产奥氏体不锈钢丝的回火温度低于340，线径在1mm以下的小线径钢丝，其回火温度应在280-310之间。铜合金线（锡青铜、硅青铜）供货时均已经过冷拉强化加工。冷卷成弹簧后，只需要进行消除应力的回火处理。回火后，强度稍有提高，但回火温度高于220时强度将下降。回火规范见表4-7。表4-7 铜合金线回火规范铜线直径（mm）加热温度（）保温时间（min）2.0>2.0180-200180-22040-6060-90沉淀硬化不锈钢和铍青铜冷卷弹簧后要进行时效处理，从而提高其强度并获得较高的综合力学性能。规范见表4-8和4-9。表4-8沉淀硬化不锈钢时效处理规范材料牌号 时效温度（）保温时间（h）Ni36CrTiAlOCr17Ni7AlOCr15Ni7AlNi42CrTiCo40CrNiMoNCu28-2.5-1.5Ni42CrTiCr15Ni36W3TiCr14Ni25Mo600650480500480500550600450550300340600650一次780790，二次73074065070024121224表4-铍青铜线时效处理规范供货状态时效温度（）保温时间（min）软(M)硬(Y)(Y)硬3151518012060经回火后的弹簧如再经几何尺寸休整，则必须进行二次回火。二次回火时加热温度不变，而保温时间要缩短为原规范的1/3。如拉伸弹簧和扭转弹簧一般均要在钩、臂加工完成后进行二次退火。2:回火设备目前采用的回火设备主要有两种：硝盐炉和高温鼓风电路。(1):硝盐炉即盐浴炉这是目前国内各弹簧厂广泛使用的弹簧回火设备。它由热电偶及温度计自动控制硝盐溶液的温度。溶液由55%的硝酸钾和45%的硝酸钠混合而成。其优点是加热温度均匀、控温准确、投资少。缺点是硝盐蒸汽对人体有害、污染环境,另外还要配有冲冼的热水槽、冷水槽、烘干箱等辅助设备。在冲洗不彻底时,弹簧表面附着的硝盐影响表面防腐处理的质量.(2):高温鼓风电炉这是国内目前新近采用的回火设备,加热最高湿度为500。这种设备是在原普通电热干燥箱的基础上,加装鼓风装置,促使炉内热空气流动,保证零件受热均匀。炉内上、中、下三点分装三个控温元件,(现在多数为上部-个),由水银温度计控制温度。这种设备的特点是使用操作方便梗,不污染环境,处理后的弹簧短时间存放不易腐蚀并容易进行表面处理。缺点是开门散热快,弹簧回火保温时间要相应延长。(三):弹簧的端部加工弹簧的端部加工一般在弹簧冷卷成型,经一次低温回火后进行。除非是由一次成型的现代化设备加工的弹簧不需再经端部加工。弹簧端部加工包括压缩弹簧两端面的磨削加工,拉仲弹黄两端(或一端)钩环的加工及扭转弹簧两支承臂的加工。1:压缩弹簧端面的磨削加工YI型弹簧两端面要进行磨削加工。目的是增加弹簧使用时的稳定性,并改善垂直度。现在部分大工厂多数已采用弹簧端面磨平机进行。这种设备能一次同时将弹簧两端面磨好.经磨平机磨削的弹簧两端面平面度好,平行度亦好,两端面与弹簧轴线的垂直度也比较好。在不具备条件的中、小企业,一般采用砂轮、手工磨削。手工磨削的质量差,效率低,只能适用于中、小批量生产。弹簧磨平要选择适当的砂轮,包括磨料及粒度等。磨削时应注意吃刀量不宜过大,以防过热导致端圈变形。压缩弹簧端面磨平部分应不少于圆周的3/4,端头厚度一般为线径的1/31/4,最薄不少于l/8d,端面粗糙度不大于Ra12.5m。2:拉伸弹簧的端部加工拉伸弹簧端部的钩环一般均由手工工装完成。目前国内只有少数几家工厂拥有现代化进口的拉伸弹簧自动绕制机及万能加工中心。在这两种设备上,拉伸弹簧可一次成型,无需手操作。在一般条件下,拉伸弹簧先由万能自动卷簧机绕制成圆柱形的弹簧体,经回火处理后再加工两端钩环。常见的钩环有半圆钩环、圆钩环及长臂半圆钩环。长臂半圆钩环需用工具将弹簧体两端圈展成直线、弯起,再弯成半圆钩环。3:扭转弹簧的端部加工目前有两种方式,一种是由扭转弹簧绕制机绕出两端带直尾的弹簧(也可借助附件一次成型),然后借助弯形工具将两臂弯成所需形状;另一种是先由普通万能自动卷簧机卷出弹簧体,再用工装或手工将两端展成直线,然后按要求弯制两臂。当然也可用芯轴绕出两端带直尾的弹簧,再由工具或手工来加工两臀。目前国内扭转弹簧的生产,绝大多数仍采用有芯卷绕、工装手工弯形的办法,其效率很低,质量较差。二:热成型弹簧的制造工艺当弹簧所用材料直径大于12mm时,由于冷绕成型困难,多数用热绕工艺。对于线径510mm,旋绕比比较小的弹簧,有时也采用热绕的方法。热绕弹簧的工艺流程一般为：下料、端头、锻扁、加热、用芯轴绕制成型(开节距及整形)、热处理(淬火、回火)、端部加工、机械强化处理、检验、表面防腐处理等。这些工艺过程可根据材料状态、设备条件、设计要求及加工方法等情况适当调整和采用。(一):下料下料可根据事先计算好的尺寸,采用冲床或锯床下料。下料的长度应根据加工方法来确定。当采用两端锻扁工艺时,下料长度应短于弹簧的展开长度。下料长度L计算见式(4-24): (4-24)式中D弹簧中径(mm)sn1弹簧总圈数.(二):加热卷绕成型加热卷绕主要是利用材料在高温下强度低、塑性好的特点,使之容易成型。加热温度应按所用材料的热处理规范选择。加热时要保证烧透,并使其受热均匀。绕制芯轴要比弹簧内径小0.31mm,具体尺寸由试绕确定。(三):开节距和整形这道工序是经人工对弹簧的各几何尺寸进行修整,以使其达到图样要求。(四):热卷弹簧的热处理热卷弹簧经几何尺寸修整后,均需进行淬火、回火处理。最好是在热成型后,利用余热立即淬火,这样可省去部分加热时间,并减少表面氧化脱炭的程度,既经济又改善了弹簧表面的质量。弹簧的淬火温度可根据材料的临界温度而定。一般碳素弹簧钢丝淬火加热温度在780830；硅锰钢丝如60Si2Mn，淬火加热温度为860880；65Mn钢丝淬火加热温度为810830。目前淬火加热设备多为煤气火焰炉、电炉、或盐浴炉。为了防止弹簧淬火加热变形，有时可采用各种专用的淬火夹具。弹簧淬火后，要进行中温回火。目的是要得到较高的弹性极限、强度极限和疲劳强度，并保持适当的韧性。各类弹簧在淬火、回火后的硬度值为4550HRC.常用弹簧材料热处理规范见表4-10。表4-10 常用弹簧材料热处理规范材料型号 淬 火回 火适用范围加热温度（）冷却介质硬 度HRC加热温度（）硬度HRC65780830水或油400600材料直径小于15mm的螺旋75780830水或油400600弹簧，弹簧垫圈85780820水或油3804603640载荷较小的小螺旋弹簧、片弹簧65Mn810830油或水>604005004245板簧，510mm的簧片及材料直径在715mm的螺旋弹簧55Si2Mn860880油>584004504550材料直径在1025mm的螺旋弹簧60Si2MnA860880油>60400440455055Si2Mn860880油>58480500363444HBS厚度812mm的板弹簧60Si2MnA860880油>6050052070Si3MnA840860油>624204804852大截面的重载弹簧65Si2MnWA840860油>624304804852大截面的重载弹簧50CrMn840860油>58400550_截面较大，较重要的板簧及螺旋簧50CrVA850870油>58400450388415HBS大截面重要弹簧3704204550300以下工作的高温弹簧60Si2CrVA850870油>60430480455250CrMnVA840860油>58420450_55SiMnMoV860880油4404604552大截面的重载弹簧55SiMnMoVB55SiMnMoVNb三:弹簧的机械强化处理弹簧机械强化处理的目的是用机械的方法使弹簧材料内部产生与工作应力方向相反的应力，从而提高弹簧的承载能力，并提高弹簧的使用寿命。目前所用的强化处理工艺主要有两种：强压处理和喷丸处理。1:强压处理强压处理包括强压、强拉和强扭。对于工作应力较大,比较重要及节距较大的压缩弹簧应进行强压处理。如阀门弹簧、兵器上使用的撞针、引信弹簧等。强压处理就是将弹簧成品用机械的方法,从自由状态强制压缩到最大工作载荷高度(或压并高度)35次,使金属表面层产生塑性变形,从而得到与弹簧工作应力相反的应力。（这样使弹簧在工作时,应力危险点从金属丝表面移到内部,从而达到提高弹簧材料弹性极限的目的。2:喷丸处理喷丸处理是提高机械零件疲劳寿命的有效方法之一,在弹簧制造中应用较广。喷丸处理就是用高速弹丸轰击弹簧表面,使其形成一定厚度的表面强化层。强化层内形成较高的应力。这种应力在弹簧工作时能抵消一部分变载荷作用下的最大拉应力,从而提高弹簧的疲劳强度。另外,通过喷丸处理还可清除弹簧表面的疪病。喷丸的效果取决于弹丸的材料、硬度、尺寸、形状及喷射的持续时间。喷丸处理主要应用于大、中型弹簧,特别是热成型弹簧。四:弹簧的表面防腐处理大多数弹簧均在不同程度的腐蚀性环境中工作。由于化学和电化学的作用,金属表面受到腐蚀,使弹簧过早损坏。因此,弹簧必须进行防腐处理。弹簧的防腐处理就是用抗腐蚀材料覆盖于弹簧表面,形成保护层。这层保护层把弹簧与腐蚀介质隔开,达到防腐的目的。目前常用的有三种方法：电镀、氧化和涂漆。1:电镀电镀是获得金属表面保护层的有效方法,也是用于弹簧防腐处理的主要方法。它的特点是镀层附着力好,结晶细致紧密,孔隙率小,厚度均匀,井有良好的物理、化学及力学性能。电镀有镀锌、镀镉、镀铜、镀铬、镀镍、镀锡等多种,应用最普遍的是镀锌。弹簧镀锌表面一般为白色或彩色。锌在干燥的大气中几乎不发生变化。在潮湿的空气或含有二氧化碳的水中会生成氧化锌白色薄膜,这层薄膜能起到缓蚀的作用。镀锌层适合各种大气条件下使用。但在含有酸、碱、盐的水溶液中及在纯海洋性大气条件下,锌的抗腐蚀能力较差。镀锌的特点是成本低,工艺简便,效果较好。被厂泛用于大气中使用的中小型弹簧的防腐。弹簧镀锌后要经过钝化和去氢处理,以提高防腐能力和避免氢脆。特别是小弹簧更易发生氢脆;在酸冼和电镀时一定要特别汪意。2:氧化处理弹簧的表面氧化处理也称发兰和发黑处理。氧化处理后,弹簧表面生成保护性的磁性氧化铁,厚度约为0.62m。由于膜薄且多孔隙,保护能力较差。因此,氧化处理只能用于在腐蚀性不强的介质中工作的弹簧防腐。由于氧化处理成本低,工艺配方简单,生产效率高,不影响弹簧的特性,所以广泛用于冷成型小型弹簧的表面防腐。除氧化处理外，还有磷化处理。磷化膜在一般大气条件下较稳定。其抗腐蚀能力比氧化处理高倍。:涂漆涂漆也是弹簧防腐的主要方法之一。多在大、中型弹簧中使用，特别是热成型弹簧及板弹簧。用于弹簧的油漆主要有：沥青漆、酚醛漆和环氧漆。对于重要的弹簧，为提高油漆的附着力和防腐能力，也可采用先磷化后涂漆的工艺。常用的涂漆方法是喷漆和浸漆。随着工艺技术的发展，为了提高工作效率、油漆的利用率和涂漆的质量，应推广静电喷涂和电泳涂漆工艺。第五节：弹簧的检验与质量控制弹簧的检验目的是通过各种试验方法和手段对弹簧各种几何参数及性能进行测定。对其质量进行正确的评估。从而把弹簧的质量定量化和数据化。按照工艺流程，弹簧检验分为以下几个步骤：一：弹簧材料的检验这是弹簧生产过程质量控制的首要问题。包括外观、几何尺寸检验和理化试验两大部分。1：外观及几何尺寸检验检验人员首先根据有关国际标准对材料的直径、圆度单圈挑起的高度、表面缺陷等等。2：弹簧材料的理化检验此外，还要进行对材料抽样进行力学性能试验和化学成分分析试验。确定是否符合国际标准要求，以确定其弹簧的生产工艺。力学性能试验包括三项：抗拉强度试验、扭转次数试验和弯折次数试验。化学成分分析试验就是对材料组织成分进行定量分析。二：生产工艺过程中的检验内容主要是有首件检验、中间抽检、序间检验及完工检验。1：首件检验首件检验至关重要。2：中间抽检为确保弹簧在生产中质量的稳定，除操作者每10分钟自检一次外，检查员要每隔0.5小时抽检一次，发现问题及时修正。3：序间检验在生产过程中要进行各工序的传递，在转工序时要进行按比例的抽样检查。确认合格后方可转入下道工序。4：完工检验及包装检验除不锈钢丝、青铜线外其它钢材所制弹簧，一般需进行表明防腐处理。弹簧经过酸和电镀后不同程度发生特性的改变，小弹簧尤其明显，因此包装前必须再进行检验，以确保合格成品包装。第六节：弹簧设备及生产自动化高精度、高效率、多功能的卷簧机在一些比较发达的国家已经很普遍。一、 弹簧加工设备弹簧加工设备种类繁多，发展也相当快。特别市年代以来出现了扇形体送料机构的卷簧机，年出现了CNC电子计算机控制的自动化卷簧机，使弹簧生产技术向着高精度、高效率发展。目前圆柱螺旋弹簧加工设备按用途和功能可分为四大类型。(一)万能自动卷簧机这是一种通用型圆柱螺旋弹簧加工设备。如德国瓦菲奥斯(WAFIOS)公司的FS系列、瑞士申克尔(SCHENKER)公司的FA系列、日本奥野(OKUNO)公司的M系列等卷簧机都属于这一类。这类机床能绕制圆柱、变节距、变直径、密卷等各种圆柱螺旋弹簧。图4-13为瑞士申克尔公司生产的FA-6S万能自动卷簧机示意图。由于该机采用了扇形体及单向离合器结构,故使得送料精确,调整方便,生产效率高。FA-6S卷簧机最高速度为每小时生产弹簧3万只。在这类机床上加装自动分选装置可实现弹簧生产过程的自动测量、分选、控制、调整,出现故障可自动停机。图4l4为配备于FA-6S机床的MR_10自动分选装置工作原理图。如果为机器配备自动送线线架,则可实现无人操作。(二)拉伸弹簧绕制机这类设备是由万能自动卷簧机与自动弯钩机组合而成。在该机上拉伸弹簧可直接成型。以德国瓦菲奥斯公司生产的ZO2拉伸弹簧绕制机为例说明其原理和功能。.ZO2型拉伸弹簧绕制机由FO2卷簧机和FOA2弯钩机组合而成。在FO2卷簧机上装有慢速精进给系统。在弹簧绕制结束前,机器变正常进给为慢速精确进给,从而避免快速惯性影响,以确保送料的精确性。另外,它还配有电子触针及气动刹车离合器。当弹簧端头接触到触针时,气动刹车离合器立刻动作,停止送料。这个系统是作为慢速精进给的一种补偿,使弹簧端部停在准确位置、以保证拉簧钩环的精确。FOA2弯钩机的主轴与FO2主轴相连,机上装有两个弯钩盘、两个切余头盘及8个弹簧抓手,8个抓手分装在左右两个转盘上,每个转盘上有4个抓手。抓手在一个工作循环中完成从卷簧机上抓取弹簧、送入弯钩盘弯钩、切余头、换位、弯另一端钩环、切头、将成品送入容器7个动作,如图4-15所示。在该机上,拉伸弹簧可直接成型。通过更换部件,可生产半圆钩环、圆钩环、圆钩环压中心、长臀半圆钩环等多种拉伸弹簧。由这种设备生产的拉伸弹簧精度高,一致性好,效率高,一般情况下每小时可生产拉伸弹簧2500件左右。还可在机上加装载荷自动检测装置,实现拉簧的自动检验分类。(三)扭转弹簧绕制机扭转弹簧绕制机的种类也比较多,结构原理大体相同。现以瑞士申克尔公司生的12T形扭转弹簧绕制机为例,说明其原理。该机由一台交流电动机驱动,经由频数表(相当于小型苹果机)实现变频调速，调速由电位器完成。电动机经由皮带、轴、齿轮等部件,将转动传给一偏心轮，偏心轮将旋转运动经曲柄连杆机构变成齿条的往复直线运动；齿条再将直线运动经齿轮变成主轴(缠绕轴)的正、反向转动,使弹簧能在轴上顺利的缠绕和放松。缠绕圈数的多少,通过调整偏心轮的偏心距完成，而放松多少则通过装在主轴上的摩擦离合器和停挡来实现。在工作台上,四周有4根由伞齿轮相连结的凸轮轴,同步运转。工作台面上装有与垂直方向成15的上、下两块滑板,水平方向可同时装6块滑板,一次工作循环可完成8个规定的动作,可将扭转弹簧两臀弯成所需形状。弹簧螺旋升角的大小由导板的角度决定,导板的角度是可随意调整的。 (四)CNC系统卷簧机这是一种80年代投放市场的,是由电子计算机控制的最新式的现代化卷簧机。它是由电气、液压传动装置和高效的电子控制技术结合起来的产物,具有很强的调节性能的电液压传动装置,其反应迅速、状态稳定,并能适应高速的可逆操作。德国瓦菲奥斯公司的FUL系列就是个代表。它有很宽的工作范围,可加工的钢丝直径最大可达16mm。基本设备中的自化装置已能生产具有任意节距和外形的左、右旋螺旋弹簧。配备附加装置后也同样能卷绕出各种各样钩环的拉伸弹簧、扭转弹簧。这种机床的钢丝输入装置、切割装置、弹簧成形装置及离合器等都配有分离的传动系统。对弹簧螺距(节距)进行外部调节的调节器(即弹簧长度调节器)由附加的伺服传动装置来完成(用按钮进行手动操作设有数据输入-或通过一个弹簧长度测量并调整)。弹簧节距装置和成形装置的工具移动由一个电液传动装置来完成。CNC-系统的可靠性和安全性是计算机控制机床的起决定性作用的准则。安全性由CNC系统对参与生产加工过程的系统组成部分的监视功能来保障。全部数据用键盘和显示屏以对话的形式输入。在送入系统参数、钢丝参数和弹簧尺寸后,即可按两个按钮直接调用计算机程序。机床用显示操作数据(如每根弹簧的钢丝输入长度,最大可能输入速度)来表示为生产单个或多个弹簧作好了准备。在对所生产的弹簧进行预检后,如需要进行修正可呼叫图象以输入必需的修正值。当显示屏上出现“修正”标志后,就能容易地输入直径、节距、送料长度的修正值。在重复加工中,可在1s内调用已加工过的弹簧的输入数据,即自动装置在不需要再次输入的情况下已作了加工准备。这种设备为生产小批量、大批量、特殊形状弹簧提供了方便。但由于价格昂贵,维修困难,目前国内尚末采用。二、弹簧检测仪器弹簧检测仪器包括载荷检测和扭矩检测两大类。仪器有指针盘式和电子控制、数字显示两种。前者精度、灵敏度均较低,属落后的一种,但目前应用较广；后者精度高、灵敏度亦高,但由于目前国内尚处于引进试制阶段,故应用较少。下面重点介绍电子控制、数字显示的弹簧测试仪。(一)电子控制数字显示弹簧载荷测试仪它由移动距离施力装量、距离和载荷数字显示装置、图象显示装置及数据记录打印装置四部分组成。用以检验拉伸弹簧,压缩弹簧的刚度值及在指定高度下的载荷值.(二)电子控制数字显示弹簧扭矩测试仪它由角度转动施加扭矩装置、数字显示装置、参数图象显示装置及记录打印装置四部分组成。用以检验扭转弹簧的刚度值及在指定转角下的扭矩值。该设备的角度转动施加扭矩装置由转动机构(手动)、装夹机构、传感器组成;数显部分的上部显示转过的角度,单位为0.1。,下部显示出扭矩值,单位为0.001N.cm。三、弹簧生产的自动化弹簧的用量越来越大,精度要求也越来越高,故迫使弹簧生产向大批量自动化方向发展。实现弹簧生产自动化有两种途径.-是单机自动化、多机生产；二是装备弹簧自动生产线。(-)单机自动化所谓单机自动化,就是用现代化专用设备装备工厂。同种类型设备安装在一起,形成一个相对封闭的生产单元,实行1人多机生产,一般以1人管理46台设备为宜。由于各部机器均配有自动控制、调整、分选装置及自动送线线架,故可实现无人操作。在20台左右的机群中至少要配备1名技术熟练的操作工人作为调整工,负责机床的调整及较大故障的排除。(二)弹簧自动生产线弹簧自动生产线由多种设备有机结合在一起,形成弹簧生产各工序间的自动化传递。它由弹簧绕制机、热处理机(回火炉)、输送设备、自动包装机组成,见图4-l6。它的基本工作原理是,弹簧由绕制机绕出经检验分选落入容器中,输送系统将弹簧逐个送入圆桶状卧式回火炉,回火后的弹簧经空冷输送到自动包装机,包装机将弹簧成品逐个压合在两片塑料薄膜中,再卷到圆盘上.圆盘卷满由人工更换,如此实现弹簧生产的自动化。当然,如果生产需磨平的压缩弹簧,则需在回火炉和包装机间增加自动喂料系统和弹簧端面